量子电子学是研究利用物质内部量子系统的受激发射来放大或产生相干电磁波的方法,及其相应器件的性质和应用的学科。
研究利用物质内部量子系统的受激发射来放大或产生相干电磁波的方法,及其相应器件的性质和应用的学科。在这种放大、振荡机制中,量子跃迁过程起关键的作用,所以称量子电子学。
历史沿革
20世纪50年代发明了微波激射器,量子电子学科开始建立。60年代发明激光器后,学科的内容急剧扩大。伴随着激光和激光器的研究,形成了众多的分支学科,如激光物理、激光技术、非线性光学、激光光谱学、导波光学、集成光学和全息光学等。这些分支学科也往往被包括在量子电子学之内。
基本原理
量子放大与振荡的基本原理量子电子学的核心器件是微波激射器和激光器。它们的工作原理都与受激发射有关。早在1917年,A。爱因斯坦就指出,在微观量子系统与辐射电磁场的相互作用中,存在着三种量子跃迁过程(图1)。
自发发射
若某种微观量子系统(如原子、分子和离子等粒子)有两个分立的能级,其能量分别为E2和E1,且E2E1。在没有外加辐射场作用时,处于高能级的粒子有可能自发地跃迁到低能级,同时发射出能量为hv的光子,且hvE2E1。式中h为普朗克常数;v为频率。这叫自发发射。大量粒子自发发射的光子形成频率为v的非相干电磁波。传统光源所发的光都是由自发发射产生的,因而是非相干的。
受激发射
频率满足hvE2E1关系的外加辐射电磁场能与量子系统发生共振的相互作用。微观粒子在共振电磁场的作用下,处在高能级的粒子以一定的几率跃迁到低能级,同时发射一个能量为hv的光子,这叫受激发射。由受激发射所产生的电磁波与入射电磁波同频率、同方向、同相位、同偏振,因此它是相干电磁波。入射电磁波可以通过受激发射得到相干放大。
受激吸收
微观粒子在外加共...
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